java高并发之ConcurrentSkipListMap的那些事

注意：本文内容基于JDK11，不同版本会有差异

ConcurrentSkipListMap的结构

ConcurrentSkipListMap是以链表（自然排序）的形式进行数据存储的。即在类中通过定义Node内部类来存储单个节点的数据，通过Node中的next属性，来记录链表的下一个节点。同时会对Node中记录的数据创建多级索引。结构总体如图所示：

源码解析

本文以put方法来对ConcurrentSkipListMap进行解析。

ConcurrentSkipListMap会在put方法里调用doPut方法。所以doPut()才是最终的实现



以下动图为doPut方法的动态演示：



对于doPut方法的理解，可以通过调用ConcurrentSkipListMap的put方法。断点调试，配合说明进行理解加深

关键代码说明：

   /**
     *
     * @param key
     * @param value
     * @param onlyIfAbsent 如果已经存在，是否不进行插入（false就是进行插入，true就是不进行插入）
     * @return
     */
    private V doPut(K key, V value, boolean onlyIfAbsent){
        if(key == null){
            throw new NullPointerException();
        }
        //比较器
        Comparator<? super K> cmp = comparator;
        for(;;){
            //头索引
            Index<K,V> h;
            Node<K,V> b;
            //禁止重排序
            VarHandle.acquireFence();
            //级别
            int levels = 0;
	   /**
	    * 在第一次进行put方法时，会对head进行一个初始化操作。head是ConcurrentSkipListMap类的入口。
	    * 因为是链表结构，所以所有的操作都需要从head开始
	    * 这里定义了一个null的Node节点，并且把这个Node赋值给Index（Index可以通过查看源码的内部类），即当前索引所对应的节点就是该Node节点
	    * 这里定义的Node不存储数据，仅仅是作为整个链表的开始，可以配合结构图进行理解
	    * compareAndSet 原子操作，保证高并发下的原子性。
	    */
            if( (h = head) == null){
                //第一次初始化操作时会进入到这个if里
                Node<K,V> base = new Node<K,V>(null, null, null);
                h = new Index<K,V>(base, null, null);
                b = HEAD.compareAndSet(this, null, h) ? base : null;
            }
            else{
                /**
		 * 这里包含了两个循环
		 * while循环是对索引的横向查找，一直找到right为空或者需要插入的key小于已存在的key的索引的位置
		 * for循环则是进行纵向查找，即查找到多层索引中的最底层索引
		 * cpr()方法是对两个key的自然排序比较。本质上使用的是compareTo方法进行比较
		 */
                for (Index<K,V> q = h, r, d;;){
                    //通过while循环查找合适的索引位置横行查找
                    while((r = q.right) != null){
                        Node<K,V> p;
                        K k;
                        if((p = r.node) == null || (k = p.key) == null || p.val == null){
                            RIGHT.compareAndSet();
                        }
                        else if(cpr(cmp, key, k) > 0){
                            q = r;
                        }
                        else{
                            break;
                        }
                    }
                    if(( d = q.down) != null){
                        ++levels;
                        q = d;
                    }
                    else{
                        b = q.node;
                        break;
                    }
                }
            }
            if(b != null){
                Node<K,V> z = null;
                /**
                 * 这里通过for循环来查找插入点，即key的值需要大于插入点之前Node的key的值且小于插入点之后Node的key的值
                 */
                for (;;){
                    Node<K,V> n, p;
                    K k;
                    V v;
                    int c;
                    if( (n = b.next) == null){
                        if(b.key == null){
                            cpr(cmp, key, key);
                        }
                        c = -1;
                    }
                    else if((k = n.key) == null){
                        break;
                    }
                    else if((v = n.val) == null){
                        c = 1;
                    }
                    else if((c = cpr(cmp, key, k)) > 0){
                        //如果key > k
                        //那么将n对应的node赋值给b。也就是重置b，将下一个Node的对象赋值到当前的b上
                        //同时将1赋值给c，然后进入下一次循环
                        b = n;
                    }
                    else {
                        c = 1;
                    }

					//具体的插入操作就是在这实现的
                    if(c < 0 && NEXT.compareAndSet(b, n, p = new Node<K,V>(key, value, n))){
                        z = p;
                        //跳出本次循环
                        break;
                    }
                }

                if(z != null){
                    //源码中使用ThreadLocalRandom.nextSecondarySeed()方法。
                    // 但是我们无法使用，所以用这个临时替代。保证不报错
                    int lr = ThreadLocalRandom.current().nextInt();
                    //1/4的概率添加索引
                    if((lr & 0x3) == 0 ){
                        int hr = ThreadLocalRandom.current().nextInt();
                        long rnd = hr << 32 | lr & 0xffffffffL;
                        //添加之前级别需要下降
                        int skips = levels;
                        Index<K,V> x = null;
                        //for循环表示，当前节点如果需要生成索引，那么需要根据索引的层级来判断生产多少层的索引
                        for(;;){
                            x = new Index<K,V>(z, x,null);
                            if (rnd >= 0L || --skips < 0){
                                break;
                            }
                            else{
                                rnd <<= 1;
                            }
                        }
                        //addIndices是具体索引生成的方法
                        //该方法返回boolean类型的数据，如果索引生成成功，那么返回true，如果索引插入失败，那么返回false。
                        //这个if判断是代表如果当前索引生成成功，那么在当前索引的基础上再生成上一级索引（对索引再生成一层索引）。
                        if(addIndices(h, skips, x, cmp) && skips < 0 && head == h){
							Index<K,V> hx = new Index<K,V>(z, x, null);
							//生成头索引
                            Index<K,V> nh = new Index<K,V>(h.node, h, hx);
                            HEAD.compareAndSet(this, h, nh);
                        }
                        if (z.val == null){

                        }
                    }
                    //元素技术进行+1操作
                    addCount(1L);
                    return null;
                }
            }
        }
    }